作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

由于汽車制造商對(duì)可靠性和性能要求嚴(yán)格，以及在惡劣電子環(huán)境條件下對(duì)快速數(shù)據(jù)傳輸速率的需要，為汽車應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)經(jīng)常轉(zhuǎn)移到其他市場(chǎng)。正因如此，千兆位多媒體串行鏈路 (GMSL?) 相機(jī)在自動(dòng)化和機(jī)器人、智慧農(nóng)業(yè)、數(shù)字醫(yī)療、航空電子、機(jī)器人軸以及零售和倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存管理等領(lǐng)域的視覺應(yīng)用中找到了現(xiàn)成的市場(chǎng)。

[Analog Devices] GMSL 最初是為解決車載高速視頻和數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用而推出的，它是一種被廣泛采用并經(jīng)過驗(yàn)證的成熟技術(shù)，可將高速視頻鏈路的性能提升到新的水平，并通過單根電纜實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)流傳輸。

視覺應(yīng)用需要非常大的數(shù)據(jù)流，以確保高質(zhì)量的視頻。全高清圖像由 1080 行 x 1920 列組成。這相當(dāng)于 200 萬(wàn)像素，每個(gè)像素由一個(gè)紅色、綠色和藍(lán)色元素組成，因此共有 600 萬(wàn)個(gè)元素。每個(gè)元素代表 8 比特?cái)?shù)據(jù)，因此每幀的數(shù)據(jù)量接近 50 Mbps。以每秒 60 幀的速度計(jì)算，一臺(tái)相機(jī)所需的數(shù)據(jù)傳輸速率超過 3.5 Gbps。

第一代 GMSL 于 2008 年推出，利用低壓差分信令 (LVDS) 標(biāo)準(zhǔn)提供最高 3.125 Gbps 的并行數(shù)據(jù)下行鏈路速率。特別適合用來傳輸來自多個(gè)相機(jī)系統(tǒng)、高級(jí)駕駛輔助應(yīng)用系統(tǒng) (ADAS) 以及用的越來越多的車載高清平板顯示器的數(shù)據(jù)。

第二代 GMSL2 于 2018 年推出，將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到 6 Gbps，并支持更多標(biāo)準(zhǔn)的高速視頻接口，包括 HDMI 和 MIPI 接口標(biāo)準(zhǔn)，后者是用于消費(fèi)類和車載相機(jī)的常用圖像傳感器接口。這些進(jìn)步適應(yīng)了全高清 (FHD) 顯示屏和分辨率高達(dá) 8 MP 的相機(jī)的需要。

最新一代 GMSL3 可通過單根電纜傳輸高達(dá) 12 Gbps 的數(shù)據(jù)，支持多個(gè) 4K 分辨率的數(shù)據(jù)流、多個(gè)顯示器的菊花鏈連接，以及多個(gè)相機(jī)（如位于車輛前部、后部和側(cè)面的相機(jī)）的聚合，以提供 360° 的觀察能力。如今，越來越多的汽車制造商在后視鏡和側(cè)視鏡上加裝相機(jī)，利用面向前方和后方的相機(jī)來避免碰撞，并利用車內(nèi)相機(jī)來監(jiān)控駕駛員和乘客的安全。GMSL3 可以匯總來自多個(gè)視頻的饋送以及激光雷達(dá)和雷達(dá)的數(shù)據(jù)。

隨著相機(jī)尺寸縮小到 CMOS 傳感器的水平，它們可以以低成本、低功耗的方式產(chǎn)出曾經(jīng)被認(rèn)為是不可思議的質(zhì)量。圖像傳感器有數(shù)百萬(wàn)個(gè)接收器元件，每個(gè)接收器元件將測(cè)量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，連同同步信息一起通過并行接口的串行數(shù)據(jù)通道流式傳輸出去。

GMSL2 和 GMSL3 均采用 MIPI 接口標(biāo)準(zhǔn)，能夠讓設(shè)計(jì)人員和供應(yīng)商將各種圖像傳感器用于 GMSL 相機(jī)。

GMSL 對(duì) GigE

剛開始研究視覺應(yīng)用的工程師很快就會(huì)面臨這樣一個(gè)決定，是使用 GMSL 還是千兆位以太網(wǎng) (GigE) 視覺技術(shù)。GigE 之所以在工業(yè)應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)樗蕾囉谝蕴W(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和標(biāo)準(zhǔn)。

如今，2.5 GigE、5 GigE 和 10 GigE 的 GigE Vision 相機(jī)已經(jīng)普遍得到應(yīng)用，而最先進(jìn)的 100 GigE 相機(jī)可以使用高達(dá) 100 Gbps 的數(shù)據(jù)速率。GMSL 旨在通過同軸電纜或屏蔽雙絞線傳輸數(shù)據(jù)，傳輸距離最遠(yuǎn)為 15 米，而 GigE 的傳輸距離則為 100 米，不過在某些條件下這兩個(gè)極限都可能有所突破。

每種技術(shù)都能通過同一根電纜傳輸數(shù)據(jù)和電力：GMSL 使用同軸電纜供電 (PoC)，因此視頻、音頻、控制、數(shù)據(jù)和電能均可在單個(gè)通道上傳輸。大多數(shù) GigE Vision 應(yīng)用都依賴以太網(wǎng)供電 (PoE) 來實(shí)現(xiàn) 4 對(duì)以太網(wǎng)，或較少地使用數(shù)據(jù)線供電 (PoDL) 來實(shí)現(xiàn)單對(duì)以太網(wǎng) (SPE)。

系統(tǒng)要求和應(yīng)用需求將決定哪種視覺技術(shù)最合適。例如，GigE Vision 可為單相機(jī)應(yīng)用帶來一些優(yōu)勢(shì)，特別是當(dāng)它們直接連接到帶有以太網(wǎng)端口的 PC 或嵌入式平臺(tái)時(shí)。

當(dāng)使用多個(gè)相機(jī)時(shí)，GigE Vision 應(yīng)用需要使用專用以太網(wǎng)交換機(jī)、帶有多個(gè)以太網(wǎng)端口的網(wǎng)絡(luò)接口卡 (NIC) 或以太網(wǎng)交換機(jī) IC。這種切換要求可能會(huì)降低最大總數(shù)據(jù)傳輸速率，并在相機(jī)和終端設(shè)備之間帶來不可預(yù)測(cè)的延遲，而 GMSL 則提供了一種更簡(jiǎn)單、更直接的架構(gòu)。

GigE Vision 設(shè)備可支持更高分辨率和更高幀率（或兩者同時(shí)支持），并提供額外的緩沖和壓縮。GMSL 設(shè)備不提供幀緩沖和處理功能，因此分辨率和幀率取決于圖像傳感器在鏈路帶寬內(nèi)所能提供的支持。工程師需要在分辨率、幀率和像素位深之間進(jìn)行簡(jiǎn)單的權(quán)衡。

GMSL 簡(jiǎn)化了高速視頻架構(gòu)

GigE Vision 相機(jī)通常使用一個(gè)信號(hào)鏈，其中包括圖像傳感器、處理器和以太網(wǎng)物理層 (PHY)（圖 1）。來自傳感器的原始圖像數(shù)據(jù)由處理器轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)幀，通常依靠壓縮或幀緩沖來適應(yīng)所支持以太網(wǎng)帶寬的數(shù)據(jù)速率。

圖 1：GigE Vision 相機(jī)傳感器側(cè)關(guān)鍵信號(hào)鏈組件示意圖。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

GMSL 相機(jī)信號(hào)鏈采用串行器/解串器 (SerDes) 架構(gòu)，避免使用處理器（圖 2）。相反，圖像傳感器并行數(shù)據(jù)由串行器轉(zhuǎn)換為高速串行數(shù)據(jù)流。在后端，解串器將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回并行形式，供電子控制單元（ECU）片上系統(tǒng) (SoC) 處理。

圖 2：與 GigE Vision 相比，GMSL 相機(jī)在傳感器側(cè)采用了更簡(jiǎn)單的信號(hào)鏈架構(gòu)。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

GMSL 相機(jī)架構(gòu)使設(shè)計(jì)低功耗的小型相機(jī)變得更加簡(jiǎn)單。串行器可通過標(biāo)準(zhǔn) MIPI CSI-2 接口直接連接相機(jī)，并通過 GMSL 鏈路傳輸分組數(shù)據(jù)。

典型的主機(jī)設(shè)備是一個(gè)定制的嵌入式平臺(tái)，帶有一個(gè)或多個(gè)解串器，通過 MIPI 發(fā)射器以與圖像傳感器 MIPI 輸出相同的格式傳輸圖像數(shù)據(jù)。定制設(shè)計(jì)需要新的 GMSL 相機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，但如果已有圖像傳感器驅(qū)動(dòng)程序，則只需使用幾個(gè)配置文件寄存器或進(jìn)行寄存器寫入，就能實(shí)現(xiàn)從相機(jī)到控制單元的視頻流。

GMSL 組件

ADI 提供全系串行器和解串器產(chǎn)品組合，支持各種接口。這些產(chǎn)品組合具有強(qiáng)大的 PHY 設(shè)計(jì)、低誤碼率 (BER) 和向后兼容性。任何視頻協(xié)議都可以橋接在一起。例如，將 HDMI 連接到開放式 LVDS 顯示接口 (oLDI)。

工程師需要根據(jù)設(shè)備接口、數(shù)據(jù)傳輸速率、帶寬、功耗、環(huán)境條件和電纜長(zhǎng)度等應(yīng)用需求選擇最佳組件。其他因素包括電磁干擾、錯(cuò)誤處理和信號(hào)完整性。以下為 ADI 的幾個(gè) GMSL 組件實(shí)例：

• [MAX96717] ，是 CSI-2 轉(zhuǎn) GMSL2 串行器（圖 3），工作速率固定為正向 3 Gbps 或 6 Gbps，反向 187.5 Mbps。

圖 3：使用 MAX96717 串行器說明數(shù)據(jù)流的示意圖。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

• [MAX96716A] ，可將雙 GMSL2 串行輸入轉(zhuǎn)換為 MIPI CSI-2。GMSL2 輸入可獨(dú)立運(yùn)行，來自兩個(gè)輸入端的視頻數(shù)據(jù)可在單個(gè) CSI-2 端口匯聚以進(jìn)行輸出，或在第二個(gè)端口進(jìn)行冗余復(fù)制。
• [MAX96724] ，是一款四通道隧道式解串器，可將四個(gè) GMSL 2/1 輸入轉(zhuǎn)換為兩個(gè) MIPI D-PHY 或 C-PHY 輸出。數(shù)據(jù)鏈路速率：GMSL2 為 6/3 Gbps，GMSL1 為 3.12 Gbps；反向鏈路速率：GMSL2 為 187.5 Mbps，GMSL1 為 1 Mbps。
• [MAX96714] 解串器將單個(gè) GMSL 2/1 輸入轉(zhuǎn)換為 MIPI CSI-2 輸出，具有 3 Gbps 或 6 Gbps 正向固定速率和 187.5 Mbps 的反向固定速率。
• [MAX96751] 是一款帶有 HDMI 2.0 輸入的 GMSL2 串行器，可將 HDMI 轉(zhuǎn)換為單通道或雙通道 GMSL2 串行協(xié)議。它還能實(shí)現(xiàn)視頻和雙向數(shù)據(jù)的全雙工單線傳輸。
• [MAX9295D] 可將單端口或雙端口 4 通道 MIPI CSI-2 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為 GMSL2 或 GMSL1。

ADI 還提供多種開發(fā)工具，如用于 MAX96724 器件的 [MAX96724-BAK-EVK#] 評(píng)估套件。

結(jié)語(yǔ)

與 GigE Vision 相比，GMSL 相機(jī)的復(fù)雜性更低，結(jié)構(gòu)更緊湊，通常能夠提供更具成本效益的解決方案。GMSL 為越來越多基于相機(jī)和顯示屏的應(yīng)用（從機(jī)器學(xué)習(xí)和自主操作到信息娛樂和安全）提供可靠的微秒級(jí)延遲的高分辨率數(shù)字視頻傳輸。如今，數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的 GMSL 鏈路正在改善著駕駛員的道路體驗(yàn)，證明了其可靠性和性能。

審核編輯 黃宇